USB子系统架构

Posted 2020-10-23 laoyaodada

1  Linux USB驱动层次

Linux USB驱动总体结构：

从主机侧看，在Linux驱动中，处于USB驱动最底层的是USB主机控制器硬件，在其上运行的是USB主机控制器驱动，在主机控制器上的为USB核心层，再上层为USB设备驱动层（插入主机上的U盘、鼠标、USB转串口等设备驱动）。因此，在主机侧的层次结构中，要实现的USB驱动包括两类：USB主机控制器驱动和USB设备驱动，前者控制插入其中的USB设备，后者控制USB设备如何与主机通信。USB核心负责USB驱动管理和协议处理的主要工作，通过定义一些数据结构、宏和功能函数，向上为设备驱动提供编程接口，向下为USB主机控制器驱动提供编程接口。

Linux内核USB设备侧驱动程序分为3个层次：UDC驱动程序、Gadget API和Gadget驱动程序。UDC驱动程序直接访问硬件，控制USB设备和主机间的底层通信，向上层提供与硬件相关操作的回调函数。当前Gadget API是UDC驱动程序回调函数的简单包装。Gadget驱动程序具体控制USB设备功能的实现，使设备表现出“网络连接”、“打印机”或“USB Mass Storage”等特性，它使用Gadget API控制UDC实现上述功能。

2  设备、配置、接口、端点

在USB设备的逻辑组织中，包含设备、配置、接口和端点4个层次。

• 设备通常有一个或多个配置；
• 配置通常有一个或多个接口；
• 接口通常有一个或多个设置；
• 接口有零个或多个端点。

（1）设备描述符：在Linux内核中，USB设备用usb_device结构体来描述，USB设备描述符定义为usb_device_descriptor结构体。

 1 /* include/uapi/linux/usb/ch9.h */
 2 struct usb_device_descriptor {
 3     __u8  bLength;    // 描述符长度
 4     __u8  bDescriptorType;    // 描述符类型编号
 5 
 6     __le16 bcdUSB;    // USB版本号
 7     __u8  bDeviceClass;    // USB分配的设备类code
 8     __u8  bDeviceSubClass;    // USB分配的子类code
 9     __u8  bDeviceProtocol;    // USB分配的协议code
10     __u8  bMaxPacketSize0;    // endpoint0最大包大小
11     __le16 idVendor;    // 厂商编号
12     __le16 idProduct;    // 产品编号
13     __le16 bcdDevice;    // 设备出厂编号
14     __u8  iManufacturer;    // 描述厂商字符串的索引
15     __u8  iProduct;    // 描述产品字符串的索引
16     __u8  iSerialNumber;    // 描述设备序列号字符串的索引
17     __u8  bNumConfigurations;    // 可能的配置数量
18 } __attribute__ ((packed));

（2）配置描述符：USB配置在内核中使用usb_host_config结构体描述，而USB配置描述符定义为结构体usb_config_descriptor。

 1 /* include/uapi/linux/usb/ch9.h */
 2 struct usb_config_descriptor {
 3     __u8  bLength;    // 描述符长度
 4     __u8  bDescriptorType;    // 描述符类型编号
 5 
 6     __le16 wTotalLength;    // 配置所返回的所有数据的大小
 7     __u8  bNumInterfaces;    // 配置所支持的接口数
 8     __u8  bConfigurationValue;    // Set_Configuration命令需要的参数值
 9     __u8  iConfiguration;    // 描述该配置的字符串的索引值
10     __u8  bmAttributes;    // 供电模式的选择
11     __u8  bMaxPower;    // 设备从总线提取的最大电流
12 } __attribute__ ((packed)); 

（3）接口描述符：USB接口在内核中使用usb_interface结构体描述，而USB接口描述符定义为结构体usb_interface_descriptor。

 1 /* include/uapi/linux/usb/ch9.h */
 2 struct usb_interface_descriptor {
 3     __u8  bLength;    // 描述符长度
 4     __u8  bDescriptorType;    // 描述符类型编号
 5 
 6     __u8  bInterfaceNumber;    // 接口的编号
 7     __u8  bAlternateSetting;    // 备用的接口描述符编号
 8     __u8  bNumEndpoints;    // 该接口使用的端点数，不包括端点0
 9     __u8  bInterfaceClass;    // 接口类型
10     __u8  bInterfaceSubClass;    // 接口子类型
11     __u8  bInterfaceProtocol;    // 接口所遵循的协议
12     __u8  iInterface;    // 描述该接口的字符串索引值
13 } __attribute__ ((packed));

（4）端点描述符：USB端点使用usb_host_endpoint结构体来描述，而USB端点描述符定义为usb_endpoint_descriptor结构体。

 1 /* include/uapi/linux/usb/ch9.h */
 2 struct usb_endpoint_descriptor {
 3     __u8  bLength;    // 描述符长度
 4     __u8  bDescriptorType;    // 描述符类型
 5 
 6     __u8  bEndpointAddress;    // 端点地址，0~3位是端点号，第7位是方向(0为输出，1为输出)
 7     __u8  bmAttributes;    // 端点属性:bit[0:1]的值为00表示控制，为01表示同步，为02表示批量，为03表示中断
 8     __le16 wMaxPacketSize;    // 本端点接收或发送的最大信息包的大小
 9     __u8  bInterval;    // 轮询数据传送端点的时间间隔
10 
11     __u8  bRefresh;   
12     __u8  bSynchAddress;
13 } __attribute__ ((packed));

（5）字符串描述符。

1 /* include/uapi/linux/usb/ch9.h */
2 struct usb_string_descriptor {
3     __u8  bLength;    // 描述符长度
4     __u8  bDescriptorType;    // 描述符类型
5 
6     __le16 wData[1];    // 以UTF-16LE编码
7 } __attribute__ ((packed));